Cell自噬综述-To Be or Not to Be_ How Selective Autophagy and Cell Death Govern Cell Fate
细胞生物学论文-细胞自噬
细胞生物学论文-细胞自噬生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究,来揭示某种具有普遍规律的生命现象。
此时,这种被选定的生物物种就是模式生物。
例如果蝇,有谁会想到,这种红眼、双翅、羽状触角芒、身体分节、黄褐色的小昆虫,在近百年间竟然能够“成就”好几位获得诺贝尔奖的大科学家。
什么是自噬?大隅良典研究的是酵母的细胞自噬机制。
酿酒酵母是一种模式生物,非常经典。
经过20多年的研究,在酵母里已经发现了34种与自噬有关的基因。
那么自噬到底是什么?当你真的了解它以后,你会发现,原来细胞这么“聪明”!自噬,不就是自己吃自己吗?可以这样理解。
自噬就是细胞自己降解自己结构的过程,即把一些暂时用不上的零件,拆解变成最小的模块,然后重新组装成自己需要的东西,这就是自噬。
在植物细胞和酵母细胞里,自噬在液泡中发生。
而在动物细胞里,自噬在溶酶体里发生。
从一个蛋白质到整个细胞器,都是可以降解的。
自噬是细胞内分解代谢的一种途径。
除此之外还有一种途径,称之为泛素蛋白酶体途径。
简单说就是在蛋白质上加个泛素,做个标记,然后送进蛋白酶体中完成消化。
发现细胞自噬首次提出自噬这一概念的,是诺贝尔奖生理学或医学奖获得者、比利时细胞和生物化学家克里斯汀・德・迪夫。
他在20世纪50年代通过电子显微镜观察到自噬体,并在1963年溶酶体国际会议上正式提出,他也因此被誉为“自噬之父”。
到了20世纪90年代,大隅良典开始用酵母研究自噬。
再后来越来越多科学家加入了研究自噬的队伍。
细胞自噬其实分为三种方式,这是根据如何“打包”物质和如何运送物质来划分的。
第一种叫宏自噬,也叫巨自噬,顾名思义就是自噬体比较大,用细胞膜或者其他的双层膜去把那些不想要的东西包裹起来,然后和溶酶体融合。
第二种叫微自噬。
顾名思义就是自噬体比较小,溶酶体或者液泡直接用自身去吞噬那些需要降解的东西,也许是细胞器,也许是蛋白质。
第三种叫分子伴侣介导自噬。
是指分子伴侣将细胞内的蛋白质先从折叠状态恢复为未折叠的状态,再放到溶酶体里。
Cell综述丨十年之后的升级版——细胞自噬与疾病
Cell综述丨十年之后的升级版——细胞自噬与疾病2016年日本科学家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)独获诺贝尔生理或医学奖,获奖理由是在细胞自噬(autophagy)领域所做出的杰出贡献。
自从细胞自噬(该概念并非大隅良典首创)这一概念被提出以后,至今已经有将近40000篇文章与其有关。
细胞自噬,是细胞内容物(Cargo)被运输到溶酶体并降解的过程,在正常情况下可以清除细胞内功能异常的蛋白、器官以及微生物。
这一过程对维持细胞、组织以及器官的稳态至关重要。
细胞自噬受到自噬相关基因(autophagy-related genes, ATG)的严密调控,当这些基因发生突变会诱发一系列疾病包括神经退行性疾病、炎症甚至癌症。
那么这些ATG都具有什么样的功能以及与疾病的关系是怎样的?早在2008年,细胞自噬与凋亡领域的两位资深学者Beth Levine就与Guido Kroemer合作在Cell上发表了一篇题为Autophagy in the Pathogenesis of Disease的综述,目前该论文被引次数超过5000次,是自噬领域中的经典综述论文。
如今十年过去了,自噬相关领域的论文又增加了3.3万篇,2016年的诺贝尔生理或医学奖也授予了该领域,相关研究进展已经发生了巨大的变化和进步。
2019年新年伊始,Beth Levine与Guido Kroemer合作在Cell上发表了一篇题为Biological Functions of Autophagy Genes: A Disease Perspective的综述【1】,总结了这十年来细胞自噬相关基因功能方面的研究。
根据文章总结,ATG及相关蛋白的功能可以简单的分为七类:(1)参与自噬溶酶体降解【2】;(2)参与细胞吞噬【3】;(3)参与蛋白分泌【4】(非传统的蛋白分泌方式);(4)参与颗粒分泌【5】,如抗细菌多肽,Cathepsin K;(5)参与外泌体分泌【6】;(6)参与代谢过程中的retromer转运【7】;(7)参与诸如免疫、细胞死亡、细胞周期,维持细胞内稳态,干细胞干性【8】等。
细胞自噬机制的分子机制研究
细胞自噬机制的分子机制研究细胞自噬是真核生物细胞中最基本的代谢途径之一。
随着人们对自噬现象的深入了解,细胞自噬机制的分子机制研究也变得越来越重要。
本文将从自噬的概念、分类、功能和分子机制等方面探讨细胞自噬机制的分子机制研究。
一、自噬概念细胞自噬是真核生物细胞中涉及细胞代谢的一种重要途径,是通过溶酶体依赖的溶解机制进行的物质吞噬和降解过程。
在自噬过程中,细胞内生成的自噬体嵌入溶酶体中,被降解并释放出来,重新利用形成新的生物大分子物质。
自噬对于细胞新陈代谢、维持基本细胞功能和适应外界环境的变化等具有重要意义。
二、自噬分类根据执行细胞自噬形式的不同,细胞自噬可分为三类:微型自噬、宏型自噬和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)依赖的自噬。
其中,微型自噬是一种依赖细胞空泡和损伤的细胞膜进行的自噬,宏型自噬是一种涉及到细胞质、细胞器的大程序自噬,PI3K依赖的自噬也称为非经典性自噬,是细胞表面和内部的另一种自噬。
三、自噬功能自噬作为一种高度保守的分解途径,对于细胞的生理和病理过程都有着极其重要的影响。
有一些研究表明,细胞自噬起着对细胞内各种分子类的稳态、抗氧化和细胞死亡等的调节作用。
此外,还有一些研究表明自噬与细胞增殖、分化、凋亡、炎症等生理、病理过程密切相关。
四、自噬分子机制自噬的分子机制复杂,涉及到多种基因和蛋白质的相互调节。
目前,已知的自噬相关蛋白主要包括信号调节、细胞信号转导、RNA后转录调控、废旧蛋白质降解等。
信号转导通路包括细胞周期调节、DNA损伤修复、蛋白合成和改善质膜强度等。
RNA后转录调节有介导自噬的微RNA、稳定性蛋白质的翻译后修饰等。
总之,细胞自噬机制的分子机制是一个非常复杂和重要的领域,对于细胞内的代谢和降解都有着至关重要的作用。
学术界和制药行业都在致力于探索自噬系统的分子机制,以此为基础开展相关药物研究和治疗领域的探索进程。
未来,随着对细胞自噬的深入认识,对细胞自噬机制的分子机制研究也将会呈现出逐年加速的趋势,这将有望对人类健康和医学研究起到不可替代的作用。
细胞自噬研究进展
细胞自噬研究进展一、本文概述细胞自噬是一种在真核生物中广泛存在的生物学过程,它涉及到细胞内部受损、变性或多余的蛋白质及细胞器的降解和再利用。
自噬过程对于维持细胞内环境的稳态、促进细胞存活和适应环境变化具有重要意义。
近年来,随着分子生物学、细胞生物学和遗传学等研究领域的深入发展,细胞自噬的研究取得了显著的进展。
本文旨在综述细胞自噬的基本机制、调控网络以及其在疾病发生发展中的作用,并对当前细胞自噬研究的前沿和展望进行探讨。
我们将首先回顾细胞自噬的基本概念和分类,包括巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬等。
随后,我们将重点介绍细胞自噬的核心机制,包括自噬体的形成、成熟、与溶酶体的融合以及底物的降解过程。
在此基础上,我们将深入探讨自噬相关基因(ATGs)及其调控网络在细胞自噬过程中的作用,以及自噬与其他细胞过程(如凋亡、坏死等)之间的关系。
我们还将关注细胞自噬在疾病发生发展中的作用。
研究表明,细胞自噬的异常与多种人类疾病的发生发展密切相关,如神经退行性疾病、代谢性疾病、感染性疾病和肿瘤等。
因此,对细胞自噬在疾病中的具体作用及其机制进行深入探讨,有望为相关疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
我们将对细胞自噬研究的未来展望进行讨论。
随着研究的不断深入,人们对细胞自噬的认识将越来越深入,细胞自噬的研究将有望为生命科学领域带来更多的突破和创新。
二、细胞自噬的分子机制细胞自噬是一个高度保守且复杂的过程,涉及多个分子和信号通路的协同作用。
其核心分子机制主要包括自噬相关基因(ATG)的调控、自噬体的形成和成熟,以及自噬体与溶酶体的融合和降解。
自噬相关基因的调控:细胞自噬受到多种ATG的精确调控。
这些基因在自噬的不同阶段发挥着关键作用,如ATGATG5和ATG7等。
这些基因的表达和活性受到多种上游信号的调控,如mTOR信号通路和AMPK信号通路等。
自噬体的形成和成熟:自噬体的形成是自噬过程的关键步骤。
在这一过程中,细胞质中的一部分物质被双层膜结构包裹,形成自噬体。
细胞自噬研究综述以及医疗应用分析
也是 他成 为 当今 研 究 重 点 并 使 日本 科 学 家 大 隅 良典
( Yo s h i n o r i Oh s u mi ) 顺 利 获得 2 0 1 6年 诺 贝 尔 生 理 学
从此 就拉 开 了科 研 人 员 对 细胞 自噬研 究 的帷 幕。
K o v d c s [ 6 等人初 步 总结 了细 胞 自噬 的详 细 过程 , 他 们 利 用 透 射 电镜 观 察 到 细 胞 自噬 的 3种 特征 性 形 态 结
噬溶 酶体结 构会 通过 膜表 面上 的转 移蛋 白将 降解 形成 的产物 运输 出 自噬溶 酶体 , 并 供 给 给 细 胞进 行 能量 或
上世纪 6 0年 代 时 , 美 国 洛 克 菲 勒 大 学 科 学 家 C h r i s t i a n D e Du v e、 As h f o r d和 P o r t e n l 5 等 人运 用 电 子 显奇 特 细胞 生命 活动 , 并 且 仔细观 察 了细胞 白噬 的整个 过程 ,
不利影 响 , 促 进 有益影 响 。
关 键词 : 细胞 自噬 肿 瘤 神 经 退 行 性 双 重 作 用
1 细 胞 自噬概 念 以及 机 制
所 有真 核细 胞 中都 存 在 细胞 自噬现 象 , 细 胞 自噬 是 指细 胞在 受到 外界 的环 境 ( 如 病 原 体 入侵 , 饥饿、 缺
《 西藏科技》 2 0 1 7 年6 期( 总第 2 9 1 期)
高 原 医 学
细 胞 自噬 研 究 综 述 以及 医 疗 应 用 分 析
苏姬 丁 红 秀
( 江 西 师 范 大 学生命 科 学 学 院 , 江 西 南 昌 3 3 0 0 2 2 )
生物学中的细胞自噬过程
生物学中的细胞自噬过程细胞自噬(Autophagy),是由组织细胞内部的溶酶体系统参与的一种细胞自我分解过程。
这一过程在生物学中起到了重要的调节作用,与细胞的生长、发育以及维持稳态等进程密切相关。
本文将详细解析细胞自噬的分子机制、功能以及其在生物学研究中的意义。
一、细胞自噬的分子机制细胞自噬的分子机制主要包括三个主要步骤:自噬囊泡的形成、自噬囊泡的运输和降解。
1. 自噬囊泡的形成细胞自噬的开始是由一系列的信号通路激活,并最终形成双膜自噬囊泡(autophagosome)。
这一过程主要依赖于ATG家族蛋白的作用。
ATG蛋白包括ATG1-10、ATG12、ATG16和ATG18等,它们相互作用形成复合物来催化自噬囊泡的形成。
2. 自噬囊泡的运输在形成后,自噬囊泡与内质网相互融合形成前体自噬体(pre-autophagosomal structure)。
然后,前体自噬体再与高度保守的酵母膜蛋白ATG9相互作用形成增大的自噬囊泡。
最终,这些自噬囊泡通过微管系统(microtubule)运输到溶酶体,开始进一步降解。
3. 自噬囊泡的降解细胞自噬囊泡被溶酶体膜囊泡包裹形成自噬溶酶体。
在酸性环境中,自噬囊泡中的成分被降解,形成小分子物质,再经由溶酶体的内外途径释放到细胞质中。
二、细胞自噬的功能细胞自噬在生物学中具有多种功能,主要包括细胞质质量平衡维持、细胞应激响应、代谢调节以及细胞衰老等。
1. 细胞质质量平衡维持细胞自噬通过清除和降解异常、老化以及受损的细胞器和蛋白质来维持细胞内的质量平衡。
这一过程有助于清除过度积累的蛋白质聚集体和有害物质,维护细胞内的良好状态。
2. 细胞应激响应在细胞受到应激刺激时,如低营养、氧气缺乏和感染等,细胞自噬可以迅速启动以为细胞提供能量和营养物质。
这种应激响应有助于维持细胞的生存并增强其适应力。
3. 代谢调节细胞自噬在调节细胞代谢中发挥重要作用。
它可以调控脂质代谢、糖代谢和蛋白质合成等过程,维持细胞内的能量平衡。
生命科学中的细胞自噬机制研究
生命科学中的细胞自噬机制研究细胞自噬机制是生命科学中一个备受关注的研究领域。
自噬(autophagy)一词源于希腊语,意为自己吞噬,它是细胞内一个自我分解的过程。
这一过程发生在细胞质内,通过将受损或多余的细胞器、蛋白质和其他细胞成分进行包裹和降解,来维持细胞内的稳态并回收营养物质。
细胞自噬的重要性首次被提出是在20世纪50年代,但直到20世纪90年代才开始引起广泛关注。
早期的研究主要集中在细胞自噬与骨髓细胞癌、糖尿病和神经退行性疾病等的关系上。
随着研究的深入,细胞自噬还被发现与免疫系统的调节、肿瘤形成和抗衰老等生理和病理过程密切相关。
细胞自噬的机制主要包括三个步骤:引发、包裹和降解。
首先,细胞内的信号通路会被激活,将细胞自噬相关的基因表达上调。
这些基因编码的蛋白质会形成细胞自噬相关的膜囊泡结构,称为自噬体。
其次,自噬体会将要降解的细胞成分包裹起来,形成自噬体内的自噬小体。
最后,自噬小体会与溶酶体融合,其中的酶会降解包裹的成分,从而回收其中的营养物质。
细胞自噬机制的研究涉及多个重要的细胞器和分子机器。
其中,ATG蛋白家族是细胞自噬过程中的关键参与者。
ATG蛋白家族主要包括ATG1/ULK1蛋白激酶复合物、ATG9蛋白复合物和ATG12-ATG5-ATG16复合物等。
这些复合物的协同作用调节了细胞自噬的各个步骤。
另外,细胞膜结构也起着重要的作用。
自噬体的形成依赖于细胞膜的扩张和破裂。
在自噬体形成过程中,韧带样蛋白微管相关蛋白1轻链3(LC3)的修饰是一个关键步骤。
正常情况下,LC3是细胞质中的一个无修饰蛋白。
但当细胞要进行自噬时,LC3会被ATG蛋白家族修饰成为LC3-II,在细胞膜上形成一个囊泡结构。
这个结构是自噬体的前体,随后会进一步发育成为完整的自噬体。
近年来,细胞自噬的研究进展迅速。
通过应用高分辨率显微镜、质谱分析和基因敲除等技术手段,研究人员对细胞自噬的分子机制和调控网络有了更深入的理解。
细胞自噬及其在各种疾病中的作用研究
细胞自噬及其在各种疾病中的作用研究细胞自噬是一种基础细胞生物学过程,是在细胞中自我降解和再利用的过程。
它通过分解一些细胞器和蛋白质分子来产生新的蛋白质和能量,以维持细胞的正常生理机能。
在细胞自噬的过程中,细胞通过将细胞器和蛋白质分子包裹在囊泡中,并将其运输到溶酶体内进行消化,从而实现自身降解和再生。
众所周知,细胞是生命的基本单位,而细胞自噬的过程对于身体健康也非常重要。
它已经被证明与许多疾病的生成有着密切的关系,比如癌症、糖尿病、心脏病等等。
下面就这些疾病的发生与细胞自噬之间的关系做一些粗浅的探讨与总结。
癌症多年来,研究者们一直在探究细胞自噬与肿瘤之间的复杂关系。
一方面,肿瘤细胞的自噬能力比正常细胞更高,这或许可以帮助癌细胞逃避细胞凋亡,以此来获得更好的生存机会。
另一方面,一些学者认为,细胞自噬也可参与到祖细胞和初始肿瘤形态的形成中。
而最近一些的研究则关注于细胞自噬的治疗作用。
例如,一些研究者通过选择性地增强自噬的过程以清除肿瘤细胞。
整体来看,细胞自噬与癌症之间的关系还有待于更深入的探究。
糖尿病糖尿病是常见的代谢性疾病之一,如今已经成为全球性的困扰。
糖尿病的特征之一就是胰岛素抵抗,而一些研究认为,细胞自噬可能参与到了胰岛素信号传导途径之中。
细胞自噬抑制剂的研发也为糖尿病治疗提供了新思路。
例如,Trehalose 等自噬诱导剂的使用就已经证明其在提高胰岛素敏感度和降低糖尿病发病率方面具有显著的效果。
心脏病细胞自噬还与一些心血管疾病的发生联系密切。
例如,前期研究就表明,心肌梗死和心肌肥厚之间存在正相关性。
而近年来更多的研究兴趣则在于急性心肌梗死后,心肌细胞的自噬作用在心脏保护中的作用。
大多数研究表明,心肌细胞的自噬作用可以帮助改善细胞状况,降低心肌梗死后继发的心肌损伤。
此外,一些新型的免疫学治疗策略也开始着眼于自噬对心脏疾病的治疗作用,并且目前有着一些非人实验成功的案例。
总之,细胞自噬对人体健康是至关重要的,不论是作为维持身体机能的基本过程,还是作为治疗疾病的关键目标。
细胞自噬的生物学研究
细胞自噬的生物学研究细胞自噬是一种细胞内清除不需要的或者损坏的蛋白质和细胞器的重要机制。
这个过程涉及到许多分子,包括细胞膜蛋白、细胞质酵素、ATP酶等,在研究细胞自噬这个主题时,科学家们经常会从不同的角度进行探究,以期能够更好地理解这个机制,并最终将其应用于疾病治疗中。
细胞自噬的起源细胞自噬这个术语,最早出现在20世纪50年代。
当时,科学家们通过电子显微镜观察到了一种神秘的小体,这些小体在细胞内部嵌入膜层,并且它们似乎在吞噬着其他细胞器和蛋白质。
几年后,科学家们将这些小体命名为“自噬体”,并将它们与一种被称为“细胞自噬”的过程联系了起来。
细胞自噬的阶段细胞自噬是一个由许多步骤组成的复杂过程。
在此过程中,细胞质被包裹在双层膜中,形成自噬体。
然后,自噬体与溶酶体融合,自噬体内的内容被降解,并在细胞内部重新利用。
这个过程被分为四个主要阶段:识别和封装阶段、早期缩小和移动阶段、晚期膜运输和溶酶体融合阶段以及内容消化和溶酶体膜结构的恢复阶段。
细胞自噬途径细胞自噬方式有多种途径,如非选择性自噬(macroautophagy)、微自噬(chaperone-mediated autophagy)、麻醉自噬(microautophagyof cytoplasmic components)以及自噬体外分泌等。
非选择性自噬(macroautophagy)一般被认为是最常见的自噬途径,它能够清除各种类型的细胞器和蛋白质。
相比于非选择性自噬,微自噬和麻醉自噬在细胞清除和细胞代谢过程中起着次要的角色,但是它们仍然是重要的细胞自噬途径。
细胞自噬的与疾病科学家们通过不断地研究,已经发现了细胞自噬与许多疾病之间的关联。
例如,细胞自噬不良与多种神经变性疾病、心脏疾病以及肿瘤等疾病相关。
同时,科学家们也开始尝试运用细胞自噬机制来治疗疾病。
细胞自噬能够清除病毒和细胞内的有害蛋白质,同时还可以提高细胞的代谢能力,进而起到治疗和预防多种疾病的作用。
研究细胞自噬揭示细胞内废弃物处理的奥秘
研究细胞自噬揭示细胞内废弃物处理的奥秘细胞自噬(Autophagy),是指细胞通过吞噬和降解细胞内废弃物来维持自身生理平衡的过程。
它在细胞内废弃物处理中起着重要的作用,并扮演着细胞自身清理和修复机制的核心角色。
在过去几十年的研究中,我们深入探索了细胞自噬的机制和功能,揭示了其背后隐藏的奥秘。
一、细胞自噬的基本过程细胞自噬主要包括形成自噬囊和自噬溶酶体两个阶段。
首先是形成自噬囊的过程。
当细胞内发生应激或受到损伤时,细胞膜上的自噬囊包裹物质形成隔离膜,形成自噬囊。
然后,这个自噬囊与溶酶体融合,形成自噬溶酶体。
最后,自噬溶酶体中的酶能将囊内物质降解成有用的小分子,供细胞再利用。
二、细胞自噬的启动机制细胞自噬的启动主要受到细胞内外环境的调控。
在细胞内环境中,抗氧化剂、激素和营养等因子的变化都可引起自噬的启动。
在细胞外环境中,细菌感染、炎症反应等因素可以刺激细胞自噬的启动。
启动自噬的信号会通过复杂的信号传导网络和细胞内的自噬基因相互作用来实现。
三、细胞自噬与废弃物处理细胞自噬在维持细胞内稳态的同时,也起到了处理废弃物的重要作用。
细胞内的废弃物(如损坏的蛋白质、受感染的细胞器等)会被包裹成自噬囊,在自噬溶酶体中被降解。
这样,废弃物得以彻底清除,细胞内环境得以恢复正常。
四、细胞自噬与疾病的关联细胞自噬与多种疾病密切相关。
研究发现,自噬在癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等多种疾病的发生发展中起着重要作用。
自噬失调可能导致细胞功能异常,从而影响组织和器官的正常工作。
细胞自噬这一复杂的生物学过程,一直是科学家们关注和研究的热点。
对其机制的深入研究有助于我们更好地理解细胞废弃物处理的奥秘,并为开发相关疾病的治疗方法提供理论基础。
今后的研究还需进一步探索和阐明细胞自噬的各个层面,从分子、细胞到整体,逐步揭示这一令人着迷的生命现象。
细胞自噬机制研究
细胞自噬机制研究细胞自噬是一种维持细胞稳态的重要机制。
自噬是一种通过液泡内的酶降解细胞内垃圾、蛋白质和细胞器的过程,以支持生命的标准代谢。
细胞自噬是自蛋白酶和缺氧刺激下的紧急预防性机制之一,在细胞代谢不足和压力下激活,以产生ATP、支持生命并解除过度压力。
自噬的类别细胞自噬可分为三种类型:微自噬、巨噬体自噬、酵母自噬。
微自噬是细胞自噬的最常见类型,是一种通过形成双层液泡来降解膜蛋白、膜磨损和细胞器的过程。
巨噬体自噬是细胞现存的最大自噬,这种自噬涉及到垃圾降解和凋亡。
而酵母自噬则是用来产生ATP和支持生长的,也可以分解异常蛋白、细胞器和有毒化合物。
自噬的调控细胞自噬受到多种因素的调控,如蛋白质运输和酶的表达、磷脂酸水平、氧化应激和营养状态等。
自噬相关基因(ATG)也是调节自噬的关键基因。
ATG基因是维持自噬的关键因素,它们编码的蛋白质可以形成自噬泡、延长自噬分子链、降解自噬受体和粒状蛋白质。
其基因编码的ATG蛋白质被分为四类:其他ATG蛋白质、ATG膜蛋白质、ATG基质蛋白质和ATG靶向蛋白。
这些蛋白质在自噬过程中相互作用,形成自噬囊泡的截至日期、结构特性和降解速度。
自噬在疾病中的作用自噬在疾病的发展中发挥着重要作用。
自噬对肿瘤、老年病和神经性退化等疾病有重要影响。
许多疾病都与自噬的过程有关,例如糖尿病类型2、阿尔茨海默病和帕金森病等。
目前,研究自噬机制最先进的方法是生化分析、控制和监控分子交互、不同机制对自噬过程的控制等。
这些技术不仅可以研究自噬的细节,还可以探索生命现象的整体特性,为人类疾病治疗开辟新的途径。
近年来,越来越多的自噬药物开始进入临床研究,这些药物可以促进自噬并降低患病风险。
通过进一步的研究,我们可以探索自噬对疾病的作用,并开发新型的治疗手段。
细胞自噬调节机制的研究与应用
细胞自噬调节机制的研究与应用细胞自噬是一种细胞间质内物质降解和循环利用的过程,通过这种自我分解和再利用的过程,细胞能够维持自身的正常功能,为身体提供必要的能量和物质支持。
自噬作为细胞代谢的重要机制,近年来吸引了越来越多的科学家的关注,通过对细胞自噬的调节机制的深入研究,不仅可以探讨细胞生命周期的科学原理,还能够为人类的健康科学做出更大的贡献。
细胞自噬的原理和过程细胞自噬是一种高度复杂的代谢过程,其主要原理是通过溶酶体对胞浆深部结构的降解,将一些废弃的或者损坏的细胞器和细胞膜分子等物质分解成比较简单的小分子物质和一些能够提供能量的成分,并将这些物质再次利用到细胞代谢的过程中,从而减少对环境的依赖性,提高生存的能力。
自噬的过程主要包括自噬体的形成和自噬体的分解两个阶段,其中自噬体的形成是一个最关键的环节。
该过程主要包括自噬体的包裹、自噬体的运输和自噬体的降解。
自噬体的形成通常在细胞膜的降解器中完成,该器在细胞内的分布广泛,特别是在广泛分布的内质网和线粒体等细胞器下可见到较明显的分布,这在一定程度上说明了该器的重要性和构造的复杂性。
细胞自噬的调节机制细胞自噬能够维持机体的正常代谢和幸存力,而自噬的调节机制在这一点上发挥了决定性的作用。
自噬的调节机制通常包括细胞自噬信号,在细胞自噬信号传递的过程中,蛋白复合物的结构变化和蛋白质级别的磷酸化等调控影响自噬膜的组成,并最终影响自噬体的形成和分解。
通过对细胞自噬途径的深刻理解,可以向这些调节过程进行干预,调整自噬的程度,从而探讨治疗疾病的可能途径。
目前,科学家们在这方面的研究心血已经得到了较大程度的肯定。
在这些研究中,主要集中在自噬材料的筛选和自噬途径的调节上。
自噬调节在医学中的应用前景自噬调节应用于医学领域,已经逐渐成为了一个科学研究的热点和探讨的项。
在肿瘤等一系列疾病中,自噬过程通常会受到程度不同的调节影响,一些疾病的治疗效果也能够通过这些珍贵的研究获得和提升。
细胞自噬在维持生命平衡中的作用研究
细胞自噬在维持生命平衡中的作用研究自噬是一种细胞自我降解的过程,它在维持生命平衡中发挥着重要的作用。
虽然自噬是一种内源性的细胞进程,但是在维持细胞内各种物质平衡,尤其是蛋白质代谢平衡中的作用至关重要。
在最近的研究中,科学家们发现了一些有趣的事实,这些事实提供了更深入的认识和理解自噬在维持生命平衡中的作用。
自噬的概念最早于20世纪50年代提出。
自噬是一种通过溶酶体降解细胞内垃圾、有害蛋白质和细胞器来维持细胞内的代谢平衡的过程。
在自噬中,细胞形成一个走失的膜袋,这个膜袋会囊括细胞内的物质,之后将这些物质送入溶酶体中进行降解。
自噬可以被视为一种“自我消耗”或“内源性的营养”。
自噬对代谢平衡的作用已经被证明是非常重要的。
例如,自噬在血糖代谢中的作用已经被深入研究。
自噬可以促进糖类和脂类在细胞内的代谢,从而提高机体的能量平衡。
大量研究也表明,自噬在抗衰老、防癌和防炎症方面也起到了非常重要的作用。
最近的研究表明,自噬在维持细胞凋亡、细胞分化及信号转导通路等方面也发挥着重要的作用。
例如,自噬可以参与对肿瘤细胞的消灭,通过清除癌细胞的细胞器和蛋白质来抑制肿瘤细胞的生长。
自噬也可以参与神经系统中的细胞凋亡过程和神经退行性变的预防。
此外,自噬还能影响细胞分化和发育,影响细胞分化通路并维持胚胎发育。
尽管自噬在维持生命平衡方面发挥着重要作用,但它仍存在一些问题。
例如,在糖尿病等代谢性疾病中,自噬功能可能会下降,从而使细胞内的代谢平衡失调。
在肿瘤中,自噬可能被肿瘤细胞利用来维持其生长和存活。
此外,在高龄人群中,自噬的功能也可能会下降,从而导致疾病的发生。
虽然自噬是一个非常复杂的过程,但科学家们正在努力研究自噬的分子机制,并正在尝试找到一些新的方法来利用自噬维持生命平衡,促进人类健康。
例如,一些研究人员正在尝试寻找自噬途径的激活剂,从而加强自噬系统的功能。
其他研究人员正在研究影响自噬调节蛋白表达和自噬过程的药物。
综上所述,自噬在细胞内代谢平衡的维持中发挥着重要作用,参与了许多生命进程,同时也存在一些问题和挑战。
(完整word)细胞自噬研究综述
细胞自噬研究综述一、概述细胞自噬是广泛存在于真核细胞内的一种溶酶体依赖性的降解途径。
是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程.细胞自噬导致细胞内长寿命蛋白和受损伤细胞器的降解,使细胞在应激条件下循环利用营养物质和三羧酸循环产生的ATP继续生存。
根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同,哺乳动物细胞自噬可分为微自噬(microautophagy)、巨自噬(macroautophagy)和分子伴侣介导的自噬(Chaperone-mediated autophagy,CMA)三种主要方式,但目前研究最为广泛的是巨自噬。
细胞自噬与细胞凋亡、细胞衰老一样,是十分重要的生物学现象,参与生物的发育、生长等多种过程,细胞自噬的异常导致癌细胞的出现。
研究表明,细胞自噬在细胞内稳态、癌症、心力衰竭、神经退行性疾病、传染病、衰老相关性疾病等生命过程中发挥着重要作用。
二、细胞自噬的形式微自噬是指溶酶体或者液泡内膜直接内陷底物包裹并降解的过程.多在种子成熟时储藏蛋白的沉积或萌发时储存蛋白的降解中起作用。
巨自噬是在其过程中,底物蛋白被一种双层膜的结构(粗面内质网的无核糖体附着区脱落的双层膜)包裹后形成直径约400~900纳米大小的自噬小泡(autophagosome),接着自噬小泡的外膜与溶酶体膜或者液泡膜融合,释放包裹底物蛋白的泡状结构到溶酶体或者液泡中,并最终在一系列水解酶的作用下将其降解,我们将这种进入溶酶体或者液泡腔中的泡状结构称为自噬小体。
它作用于营养缺乏条件下培养的细胞、植物的免疫反应、叶片衰老及环境胁迫应答。
介导自噬是在动物细胞衰老反应过程中,往往发生分子伴侣介导的自噬过程,保存必须的组成细胞结构的蛋白和其他材料。
三、细胞自噬的功能生理性自噬是细胞的自我保护机制,有益于细胞的生长发育,保护细胞防止代谢应激和氧化损伤,对维持细胞内稳态以及细胞产物的合成、降解和循环再利用具有重要作用;但自噬过度可能导致代谢应激、降解细胞成分、细胞死亡等,打破细胞生长和死亡(细胞死亡至少分为三种形态学上不同的进程,即细胞凋亡、自噬性细胞死亡和坏死,此处所指的死亡可能伴随着细胞自噬,过度自噬以一种不同于细胞凋亡和坏死的方式使细胞死亡,但自噬与二者还有一定的关联性,比如Bcl—2和Beclin1之间的互作)间的平衡。
细胞自噬是啥?解读大隅良典发现细胞自噬全过程
细胞自噬是啥?解读大隅良典发现细胞自噬全过程本文为网易科学与果壳合作稿件2016年的诺贝尔生理学或医学奖,颁发给了日本科学家大隅良典,以奖励他在阐明细胞自噬(Autophagy,或称自体吞噬)的分子机制和生理功能上的开拓性研究。
大隅良典,1945年生于日本福冈县,1974年获东京大学博士学位。
太长不看版:自噬就是细胞降解回收自己零部件的过程这个过程能快速提供能量和材料用于应急还能用来对抗病原体、清除受损结构自噬机制的受损和帕金森病等老年疾病密切相关虽然人们早就知道自噬存在,但是只有在大隅良典的精巧实验之后,人们才意识到它的机制、懂得了它的重要性细胞自噬是什么?今年的诺贝尔生理学或医学奖表彰的成就是发现并阐释了细胞自噬的机理,而细胞自噬过程是细胞成分降解和回收利用的基础。
自噬(autophagy)一词来自希腊单词auto-,意思是“自己的”,以及phagein,意思是“吃”。
所以,细胞自噬的意思就是“吃掉自己”。
这一概念最早提出于20世纪60年代,当时研究者们首次观察到,细胞会胞内成分包裹在膜中形成囊状结构,并运输到一个负责回收利用的小隔间(名叫“溶酶体”)里,从而降解这些成分。
研究这种现象困难重重,人们对其一直所知甚少,直到20世纪90年代早期,大隅良典做了一系列精妙的实验。
在实验中,他利用面包酵母定位了细胞自噬的关键基因。
之后,他进一步阐释了酵母细胞自噬背后的机理,并证明人类细胞也遵循类似的巧妙机制。
大隅良典的发现是人类理解细胞如何循环利用自身物质的典范。
他的发现为理解诸多生化过程——例如适应饥饿以及对感染的免疫应答——中细胞自噬的重要性打开了一扇窗。
细胞自噬基因突变会导致疾病,在严重的疾病包括癌症以及神经系统疾病中都包含了细胞自噬过程。
降解:所有活细胞的核心功能之一20世纪50年代中期,科学家观察到细胞里的一个新的专门“小隔间”(这种隔间的学名是细胞器),包含消化蛋白质,碳水化合物和脂质的酶。
细胞自噬原理
细胞自噬原理细胞自噬原理自噬(shì)原理都不懂,你减什么肥?诺贝尔奖得主告诉你.....2017-09-25 · 瘦龙健康最近,有很多有关断食妖魔化的文章,不吃早餐得胆结石,不吃晚餐导致胃溃疡等等,这些危言耸听的文章,让很多人闻风丧胆,不敢少吃,不敢轻断食,无论怎么样,一定要好好一日三餐,哪怕不饿也要吃。
到底一日三餐重要,还是自己舒服重要,一日三餐是否真正会给你带来健康,少吃一顿,或者偶尔一天不吃到底有多少危害,今天给大家分享一个很重要的原理,细胞自噬原理,可能很多人还是第一次听说,也许有人听说过,没关系,听说过的人,看完此文我估计你可以重新认识它。
其实,在生物学,医学,细胞学界,这个概念几乎人尽皆知,只是普通人都听不懂这其中的理论,今天我想把这个理论讲得通俗易懂一些,让你对自噬原理有一个大概的认识。
什么是自噬?自噬(autophagy),由两个希腊单词组成,auto意思是“自己的”,以及phagein,意思是“吃”,学过英语的人都知道,自动就是automatic,自黑就是autoblack,所以,细胞自噬autophagy的意思,就是“自己吃掉自己”。
有关细胞自噬专业的解释,细胞自噬是将细胞内受损、变性、衰老的蛋白质或细胞器,运输到【溶酶体】内并降解的过程,这个一般人看不懂,不着急,我们慢慢来理解。
我们先来了解什么是【溶酶体】?其实,早在上个世纪60年代,比利时科学家克里斯汀·德·迪夫(Christian de Duve),发现细胞里面有一个专门的小隔间(学名叫做细胞器),包含消化蛋白质,碳水,和脂肪的酶,后来管这个专门的小隔间叫做溶酶体(lysosome),因为这个发现,迪夫获得了1974年代诺贝尔医学奖。
后来他继续研究溶酶体,在溶酶体内部发现一种新型的囊泡,负责运输细胞货物,进入溶酶体,进行降解,迪夫同志,创造了自噬(autophagy)这个词,他把这个囊泡被称为自噬体(autophagosome)迪夫的这个发现,引起了科学界的一阵自噬研究狂潮,2004年,又一个诺奖落户到这个领域,阿龙·切哈诺沃(Aaron Ciechanover),阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)和欧文·罗斯(Irwin Rose)因为【泛素介导的蛋白质降解的发现】被授予2004年诺贝尔化学奖。
细胞自噬调控综述
细胞自噬调控综述细胞自噬是一种基本的细胞生理过程,通过将细胞内的旧、损坏或过量的蛋白质、脂质和其他细胞器通过内涵体形成的方式,转运至溶酶体进行降解,从而维持细胞内环境的稳定。
细胞自噬在细胞生长、代谢、应激和免疫等多个生物学过程中发挥着重要的调节作用。
自噬过程包括自噬体形成、自噬体与溶酶体融合以及降解和再利用等几个关键步骤。
自噬体形成的第一步是自噬相关的膜蛋白1(Atg1)复合物的组装和自噬颗粒的源泡形成。
Atg1复合物的形成受到多个信号通路的调控,包括TORC1、AMPK和mTORC1等。
当环境条件不适宜时,TORC1的抑制和AMPK的激活会促进Atg1复合物的组装和自噬体的形成。
自噬体形成的第二步是自噬颗粒的源泡形成。
这个过程需要参与Atg9膜通路的蛋白质,Atg9的循环和运输确保了自噬颗粒的源泡的可供应性。
在自噬体形成过程中,自噬颗粒的源泡会与其他内涵体,如囊泡和高尔基体相互作用,形成包含膜蛋白、蛋白质和其他细胞器的小颗粒。
自噬体形成的最后一步是自噬颗粒与溶酶体的融合。
这个过程需要Rab蛋白和SNARE蛋白的参与。
Rab蛋白能够调节感受器和效应器的交互作用,从而促进自噬颗粒和溶酶体的融合。
SNARE蛋白作为介导细胞内膜和颗粒膜的融合的重要蛋白,也参与了自噬颗粒与溶酶体的融合。
完成融合后,自噬颗粒的内容物会被降解和再利用。
溶酶体内的酸性条件和溶酶体酶的活性可以降解自噬颗粒内的蛋白质、脂质和其他成分。
降解后的产物,如氨基酸和脂肪酸等,可以通过膜泡和溶酶体的再循环进入细胞代谢途径,供给细胞的能量和合成。
细胞自噬的调控受到多个信号通路的影响。
其中最重要的是酵母菌Target Of Rapamycin(TOR)信号通路和哺乳动物的TOR信号通路。
TOR抑制剂,如雷帕霉素可以抑制TOR活性,从而诱导细胞自噬。
此外,AMPK和蛋白激酶R1(PKR1)也能够调控细胞自噬过程。
AMPK的激活和PKR1的抑制会促进自噬体的形成和细胞自噬的进行。
Cell:科学家发现线粒体自噬的关键标签蛋白
Cell:科学家发现线粒体⾃噬的关键标签蛋⽩导语UT西南医学中⼼的研究⼈员发现了细胞发现和清除线粒体的机制,当线粒体受损时,会导致遗传问题、癌症、神经变性疾病、炎症性疾病和衰⽼。
研究结果已经发表在12⽉22⽇的Cell上。
UT西南⾃动化研究中⼼主任,该研究的资深作者Beth Levine博⼠表⽰,了解这⼀过程的⼯作原理可能会产⽣新的治疗⽅法,以防⽌某些疾病,甚⾄某些⽅⾯的⽼化。
该⾃噬研究中⼼是全国唯⼀的⾃噬研究中⼼,它研究⾃噬过程,⾃噬的发⽣让细胞清除了受损或不必要的组分。
(L-R) Dr. Wei-Chung "Daniel" Chiang, Dr. Beth Levine, and Dr. Yongjie Wei. Credit: UT Southwestern Medical Center线粒体通常被称为“细胞的能量供应站”,因为这些细胞组分像细胞内的⼩⼯⼚⼀样将诸如糖的化合物转化为细胞可以使⽤的能量。
但线粒体也有它不利的⼀⾯:由于它们的能量很⾼,当它们被损坏时,会释放活性氧的有毒化学物质到细胞的其余部分,Dr. Yongjie Wei,UT Southwestern主持该研究的第⼀作者。
Levine博⼠,内科和微⽣物学教授和霍华德休斯医学研究所研究员说,“通过⾃噬去除损伤的线粒体(称为线粒体⾃噬)对于细胞健康是很重要的。
”研究⼈员已经注意到发现在线粒体外膜上的“标签”蛋⽩—特别是附着这些标签的蛋⽩质Parkin—来解释细胞降解细胞器,这个细胞器称为⾃噬体,靶向病态线粒体,Levine博⼠(Charles Cameron Sprague⽣物医学科学的杰出主席)解释道:⾃噬体是双膜囊泡,其含有在称为⾃噬的过程中降解的细胞成分。
This Electron microscopy images show a damaged mitochondrion (M) being captured by a forming autophagosome (P). In this process, the protein LC3 (shown in black dots) interactswith the protein PHB2 at areas of mitochondrial membrane rupture. This process, called mitophagy, is important for removing damaged mitochondria and keeping cells healthy, the UTSW study showed. Credit: UT Southwestern Medical Center但UT西南科学家研究了⼈类和⼩⿏细胞,发现在线粒体内膜上的受体,实际上对指导这些autophagosomes到它们的靶细胞具有更重要的指导作⽤。
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Leading EdgeReviewTo Be or Not to Be?How Selective Autophagyand Cell Death Govern Cell FateDouglas R.Green1,*and Beth Levine2,*1Department of Immunology,St.Jude’s Children’s Research Hospital,Memphis,TN38205,USA2Center for Autophagy Research,Department of Internal Medicine,Department of Microbiology and Howard Hughes Medical Institute, University of Texas Southwestern Medical Center,Dallas,TX75390,USA*Correspondence:douglas.green@(D.R.G.),beth.levine@(B.L.)/10.1016/j.cell.2014.02.049The health of metazoan organisms requires an effective response to organellar and cellular damage either by repair of such damage and/or by elimination of the damaged parts of the cells or the damaged cell in its entirety.Here,we consider the progress that has been made in the last few decades in determining the fates of damaged organelles and damaged cells through discrete, but genetically overlapping,pathways involving the selective autophagy and cell death machinery. We further discuss the ways in which the autophagy machinery may impact the clearance and con-sequences of dying cells for host physiology.Failure in the proper removal of damaged organelles and/or damaged cells by selective autophagy and cell death processes is likely to contribute to developmental abnormalities,cancer,aging,inflammation,and other diseases.IntroductionAs in all living things,each of our cells suffers the slings and arrows of outrageous fortune,facing damage from without and within.And,like the Prince of Denmark,each decides whether to be or not to be.To be,the cell must monitor and repair the damage.If not,it will‘‘melt,thaw,and resolve itself into a dew,’’dying and cleared from the body by other cells (with apologies to Shakespeare for scrambling his immortal words).Here,we consider how the molecular pathways of autophagy and cell death and,ultimately the clearance of dying cells,function in this crucial decision.Although autophagy and cell death occur in response to a wide variety of metabolic and other cues,our focus is restricted here to those aspects of each that are directly concerned with the quality control of cells—the‘‘garbage’’(cellular or organellar) that must be managed for organismal function.And although there are many important functions of quality control mecha-nisms(e.g.,DNA and membrane repair,cell growth and cell-cycle control,unfolded protein and endoplasmic reticulum (ER)stress responses,innate and adaptive immunity,and tumor suppression),our discussion is limited to the selective disposal of damaged or otherwise unwanted organelles and, when necessary,damaged or excess cells and how the autophagic and cell death mechanisms function in these pro-cesses.Overall,we focus on the overriding theme of waste management,but as we will see,many of the links between these elements remain largely unexplored.Further,although a great deal of what we know was delineated in yeast and invertebrate model systems,we largely restrict our consider-ation to what is known in mammals.Engaging AutophagyThe process of macroautophagy(herein,autophagy)is best understood in the context of nutrient starvation(Kroemer et al., 2010;Mizushima and Komatsu,2011).When energy in the form of ATP is limiting,AMP kinase(AMPK)becomes active, and this can drive autophagy.Similarly,deprivation from growth factors and/or amino acids leads to the inhibition of TORC1, which,when active,represses conventional autophagy.As a result of AMPK induction and/or TORC1inhibition,autophagy is engaged,although other signals may bypass AMPK and TORC1to engage autophagy(Figure1).The‘‘goal’’of the autophagy machinery is to deliver cytosolic materials to the interior of the lysosomes for degradation,thereby recovering sources of metabolic energy and requisite metabo-lites in times of starvation(general autophagy).Autophagy can similarly function to target damaged or otherwise unwanted organelles to lysosomes for removal(selective autophagy). Although we focus here primarily on selective autophagy,it is useful to also consider general autophagy to highlight similarities and distinctions between the two processes.In both cases a double-membrane structure,the auto-phagosome,fuses with lysosomes to deliver the contents for degradation,and this involves a proteolipid molecule,LC3-II,a component of the autophagosome composed of a protein, LC3,and a lipid,phosphatidylethanolamine.LC3-II is generated by a process resembling ubiquitination,involving E1,E2,and E3 ligases(Figure1).The parent molecule,LC3-I,is generated by the action of a protease,ATG4,which cleaves LC3to produce LC3-I.This is bound by the E1,ATG7,and transferred to the E2,ATG3.The E3ligase is a complex composed of ATG16L and ATG12-5;the latter is produced by another reaction inwhich Cell157,March27,2014ª2014Elsevier Inc.65ATG12is bound by the E1,ATG7,transferred to a different E2,ATG10,and from there to ATG5.The process by which ATG12-5is formed—and,subsequently,LC3-II (also known as LC3-PE)is generated—is referred to as the elongation reaction and is required for the formation of the autophagosome.Although not entirely understood,the generation of the LC3-coupled autophagosome appears to originate through extension of intracellular membranes,and several sources have been sug-gested,including ER,mitochondria,ER-mitochondrial contact sites,ER-Golgi intermediate compartment,the recycling endo-some,and the plasma membrane (Hamasaki et al.,2013).The initiation process requires the action of the Class III PI3kinase,VPS34,which converts phosphatidylinositol to phosphatylinosi-tol 3-phosphate (PI3P);this is the only enzyme that performs this function in cells (Meijer and Klionsky,2011).The activity ofVPS34requires VPS15(which is myristoylated and binds to membranes),a requisite regulator,Beclin 1,and other proteins,including ATG14L,that bind to Beclin 1.The complex,termed the initiation complex,generates PI3P,which dictates the site at which the double membrane subsequently elongates by the E1-E2-E3interaction described above (Figure 1).During starvation-induced autophagy,the function of the Beclin 1-VPS34initiation complex is controlled by a preinitiation complex that includes a protein kinase,ULK1,and the function of this kinase activates the initiation complex to generate PI3P (Russell et al.,2013).This preinitiation complex is,in turn,acti-vated by AMPK and inhibited by TORC1(Wirth et al.,2013),and as we have discussed,starvation conditions result in AMPK activation and TORC1inhibition.At least in the setting of glucose deprivation,AMPK can also act directly on theBeclinFigure 1.Overview of the General Autophagy PathwayCellular events and selected aspects of the molecular regulation involved in the lysosomal degradation pathway of autophagy in mammalian cells are shown.Several membrane sources may serve as the origin of the autophagosome and/or contribute to its expansion.A ‘‘preinitiation’’complex (also called the ULK complex)is negatively and positively regulated by upstream kinases that sense cellular nutrient and energy status,resulting in inhibitory and stimulatory phosphorylations on ULK1/2proteins.In addition to nutrient-sensing kinases shown here,other signals involved in autophagy induction may also regulate the activity of the ULK complex.The preinitiation complex activates the ‘‘initiation complex’’(also called the Class III PI3K complex)through ULK-dependent phosphorylation of key components and,likely,other mechanisms.Activation of the Class III PI3K complex requires the disruption of binding of Bcl-2anti-apoptotic proteins to Beclin 1and is also regulated by AMPK and a variety of other proteins not shown in the figure.The Class III PI3K complex generates PI3P at the site of nucleation of the isolation membrane (also known as the phagophore),which leads to the binding of PI3P-binding proteins (such as WIPI/II)and the subsequent recruitment of proteins involved in the ‘‘elongation reaction’’(also called the ubiquitin-like protein conjugation systems)to the isolation membrane.These proteins contribute to membrane expansion,resulting in the formation of a closed double-membrane structure,the autophagosome,which surrounds cargo destined for degradation.The phosphatidylethanolamine-conjugated form of the LC3(LC3-PE),generated by the ATG4-dependent proteolytic cleavage of LC3,and the action of the E1ligase,ATG7,the E2ligase,ATG3,and the E3ligase complex,ATG12/ATG5/ATG16L,is the only autophagy protein that stably associates with the mature autophagosome.The autophagosome fuses with a lysosome to form an autolysosome;inside the autolysosome,the sequestered contents are degraded and released into the cytoplasm for te endosomes or multivesicular bodies can also fuse with autophagosomes,generating intermediate structures known as amphisomes,and they also contribute to the formation of mature lysosomes.Additional proteins (not depicted in diagram)function in the fusion of autophagosomes and lysosomes.The general autophagy pathway has numerous functions in cellular homeostasis (examples listed in box labeled ‘‘physiological functions’’),which contribute to the role of autophagy in development and protection against different diseases.66Cell 157,March 27,2014ª2014Elsevier Inc.1/VPS34complex(Kim et al.,2013a).For starvation-induced autophagy,it is also necessary to unleash negative regulators of the Beclin1-VPS34initiation complex,such as Bcl-2/Bcl-x L (Wirth et al.,2013).Selective Autophagic Removal of OrganellesAs discussed in the Introduction,autophagy can function to re-move damaged or otherwise unwanted organelles in a cell.By ‘‘unwanted,’’we mean organelles that are removed during differ-entiation(e.g.,in maturing erythrocytes)or when environmental factors(e.g.,hypoxia)disfavor some organelles in the cell.We refer to this process as selective autophagy.When considering selective autophagy,we are faced with two problems.First, how does the process‘‘know’’which structures or organelles to target for removal?And second,how does this occur even when the conventional autophagy machinery is suppressed(at least partially),such as in nutrient-rich conditions?With regard to the latter,the problem is confounded by the simple fact that lysosomal digestion of organelles will itself provide amino acids and other metabolites,presumably activating TORC1and sup-pressing AMPK.As we have seen,such conditions inhibit the function of the preinitiation complex.Nevertheless,animals lack-ing Ulk1display a defect in at least one selective autophagic pro-cess,that of efficient removal of mitochondria during erythrocyte development(Kundu et al.,2008).Presumably,there are ways to bypass conventional inhibitory mechanisms to engage Ulk1 activity and promote selective autophagy in some settings.Alter-natively,the preinitiation complex may be bypassed in some situations.We will not fully resolve this paradox here but perhaps provide clues as we consider thefirst problem—how specific cargoes are marked for clearance.Before considering this issue,it may be useful to note that, even in nutrient-starved conditions,autophagy may be selective. Ribosomes represent a major portion of the biomass of many cells,and upon starvation,these are more rapidly removed than other structures in the cell(Cebollero et al.,2012).Similarly, there appears to be selective removal of peroxisomes during starvation(Hara-Kuge and Fujiki,2008).The same may be the case for ER(reticulophagy),although it remains possible that, in this case,this is a consequence of developing the requisite autophagosomes for nutritional supplementation using the ER membrane(see above).Another possible selection during star-vation is the preservation of functional mitochondria;because these are necessary for the catabolism of free fatty acids or amino acids and for the optimal generation of energy from glucose (all generated by lysosomal digestion),it simply does not make sense that inadvertent removal of mitochondria during starvation would be permitted.Such possible‘‘antiselection,’’however,has not been fully documented or adequately explored.Targeting in selective organellar autophagy is perhaps best analyzed in the clearance of mitochondria(mitophagy)and per-oxisomes(pexophagy).Tissues or cells lacking requisite compo-nents of the autophagy elongation machinery(e.g.,ATG5and ATG7)often display greatly increased numbers of apparently damaged mitochondria(Mizushima and Levine,2010)and per-oxisomes(Till et al.,2012).That said,there is evidence that, even in the absence of ATG5and ATG7,some selective mitoph-agy continues via unknown mechanisms,perhaps via vesicular trafficking between mitochondria and lysosomes(Soubannier et al.,2012).Nevertheless,accumulated observations indicate that the autophagy elongation machinery and autophagosome formation are important for selective autophagy of damaged or otherwise unwanted organelles.One way in which damaged mitochondria are removed by autophagy involves the action of two proteins,PINK1and Parkin (Figure2).PINK1is a kinase that is constitutively imported into functional mitochondria and degraded by the rhomboid prote-ase,PARL.As with most mitochondrial import,this requires the transmembrane potential of the inner mitochondrial mem-brane,DJ m.Loss of this potential,which can occur when the electron transport chain is damaged or if protons are allowed to pass freely across the inner membrane(i.e.,due to the expres-sion of uncoupler protein[UCP],presence of environmental pro-tonophores,or as a consequence of the mitochondrial perme-ability transition)causes active PINK1to accumulate on the cytosolic face of the outer mitochondrial membrane.This then recruits and activates Parkin,which is a ubiquitin E3-ligase, which then ubiquitinates proteins on the mitochondria. Although it is not clear how ubiquitination triggers mitophagy, several ubiquitin-binding proteins bear a motif that binds to LC3. These include p62/sequestosome1,NBR1,and optineurin,and the binding of p62to LC3has been implicated in mitophagy in some studies(Shaid et al.,2013).This leads to the notion that it is the binding of LC3to ubiquitinated mitochondrial proteins that focuses the autophagy machinery on mitophagy(and perhaps other forms of selective autophagy).However,this idea has been challenged by studies showing that p62is not required for Parkin-mediated mitophagy(Narendra et al., 2010).Moreover,AMBRA1(a positive regulator of the Beclin1/ Class III PI3K initiation complex)binds to Parkin during mitoph-agy(Van Humbeeck et al.,2011),and several autophagy pro-teins,including ULK1,ATG14,ATG16L,and ATG9,are recruited to depolarized mitochondria in Parkin-expressing cells indepen-dently of LC3(Itakura et al.,2012).This suggests a model in which the damaged mitochondrion is not‘‘recognized’’by a pre-formed isolation membrane but,rather,recruits the machinery necessary for the de novo formation of an autophagosome. Although it is understood that the activation of PINK1and Parkin can trigger mitophagy,it is also likely that mitophagy proceeds via other mechanisms(Figure2).One such mechanism involves either of two related proteins,BNIP3and NIX(also known as BNIP3L).Animals lacking NIX fail to efficiently clear mitochondria in maturing erythrocytes,leading to anemia(San-doval et al.,2008),an effect not observed in Parkin-deficient animals.Similarly,during hypoxia,BNIP3expression is induced by HIF1,promoting mitophagy(Zhang et al.,2008).These pro-teins may act to directly recruit the autophagy machinery to the mitochondria(Zhang and Ney,2009)and may also promote mitophagy through interaction with Bcl-2,an antiapoptotic pro-tein(see below)that resides on the mitochondrial outer mem-brane.Both BNIP3and NIX promote the release of Beclin1 from Bcl-2,and this may,in turn,promote mitophagy,although the details are unclear.Another mitochondrial outer membrane protein,FUNDC1,may also be required for mitophagy through interaction with LC3in a process regulated by hypoxia and FUNDC1dephosphorylation(Liu et al.,2012).Cell157,March27,2014ª2014Elsevier Inc.67Although pieces of the puzzle are beginning to emerge,a comprehensive understanding of how specific cargoes are targeted for autophagic degradation is still lacking.Clearly,the model of ubquitinated cargo binding to LC3-interacting proteins (through their ubiquitin-binding domains),which subsequently bind to LC3(through their LC3-interaction region (LIR)motifs),and thereby targeting the cargo for autophagy is—at least in many cases—an oversimplification.Even in this model,the rele-vant substrates for ubiquitination,the spectrum of ubiquitin ligases,the spectrum of ubiquitin-binding LC3-interacting auto-phagy ’’receptor’’proteins,and the signals that trigger the initial ubiquitination of relevant substrates are not completely known.In the future,we must look beyond established paradigms for additional signals and mechanisms of selective autophagic removal of damaged organelles.One interesting alternative possibility is based on changes in lipid exposure,at least in the context of mitophagy.Damaged mitochondria expose cardiolipin,which is normally present pre-dominantly on the inner mitochondrial membrane,on the outer membrane (Chu et al.,2013).Vertebrate LC3orthologs bind to cardiolipin,and this binding appears to be involved in the selec-tive removal of the damaged mitochondria.If so,this may be specific to mitophagy in vertebrates,as the requisite docking site is not conserved in invertebrate or yeast orthologs of LC3.Although,in this discussion,we have focused on the selective removal of damaged organelles,we note that insights can be gleaned from examination of the process of xenophagy,the selective removal of infectious intracellular organisms by auto-phagic processes (Deretic et al.,2013),and this may inform our model further.For example,it has been shown that ATG16L is recruited to ubiquitin upstream of LC3lipidation in xenophagic removal (Fujita et al.,2013),suggesting that ubiqui-tinated proteins on damaged organelles are potentially targeted by the ATG5-12-ATG16L E3ligase to direct the process.Of note,although lipid droplets are technically not organelles,their clearance is important for maintaining cellular health,andFigure 2.Roles of Autophagy Proteins in the Removal of Unwanted Organelles and in the Removal of CellsThe left panel shows Parkin-dependent and Parkin-independent mechanisms involved in the selective degradation of mitochondria by autophagy (mitophagy).In Parkin-dependent mitophagy,mitochondrial damage and loss of mitochondrial membrane potential (DJ m)lead to localization of the kinase,PINK1,on the cytoplasmic surface of the mitochondria,resulting in recruitment of the E3ubiquitin ligase,Parkin,to the mitochondria,followed by the ubiquitination of mito-chondrial proteins and the formation of an isolation membrane that surrounds the damaged mitochondria.In Parkin-independent mitophagy,proteins such as Nix (shown in figure),BNIP3,and FUNDC1(not shown in the figure)bind to LC3.Other autophagy proteins may be involved in Parkin-dependent and Parkin-independent mitophagy (discussed in the text).The precise details of how an isolation membrane is formed around specific mitochondria earmarked for degradation are unclear.Other damaged/unwanted organelles such as ER,peroxisomes,and lipid droplets can also be degraded by selective autophagy;the molecular mechanisms of these forms of selective autophagy are not well understood in mammalian cells.The right panel depicts roles of LAP of apoptotic corpses and of live cells (entosis).In LAP,components of the autophagy initiation complex (Beclin 1and VPS34)are recruited to the phagosome,which leads to recruitment of LC3-PE and facilitation of phagolyosomal fusion.This process requires other components of the elongation machinery,but—in contrast to general autophagy or selective autophagy—proceeds independently of the ULK preinitiation complex.68Cell 157,March 27,2014ª2014Elsevier Inc.their removal by selective autophagy(lipophagy)may bear some similarities to the selective removal of damaged organelles(Liu and Czaja,2013).Lipophagy is a documented alternative form of lipid metabolism,and its failure in animals lacking efficient general or selective autophagy factors can lead to hepatic accumulation of intracellular lipid droplets(Singh et al.,2009; Orvedahl et al.,2011).However,the precise mechanisms by which lipid droplets are targeted for autophagic removal are underexplored.Consequences of Defective Selective Organellar AutophagyIt is self-evident that the selective removal of damaged or excess organelles is a critical homeostatic process,but beyond this,our information on what happens when this goes wrong is somewhat limited.There is an accumulation of damaged organelles (including mitochondria,perixosomes,and ER)and organ degeneration in mice with tissue-specific knockout of core autophagy genes such as Atg5and Atg7in liver,neurons,heart, pancreatic acinar cells,muscle,podocytes,adipocytes,and he-matopoietic stem cells(Mizushima and Levine,2010).Although it may not be possible to dissociate the effects of general autophagy from those of selective autophagy,it is reasonable to postulate that these phenotypes are partly related to defects in selective organellar autophagy,and at a minimum,such studies unequivocally establish a role for autophagy genes in the removal of damaged organelles in vivo.The proper removal of excess or unwanted mitochondria is likely necessary for certain key aspects in development.As dis-cussed above,the mitophagy factor Nix is required for mito-chondrial clearance during erythroid maturation in vivo(San-doval et al.,2008),and mouse erythrocytes lacking general autophagy factors such as Ulk1and Atg7fail to clear mitochon-dria(Kundu et al.,2008;Mortensen et al.,2010).Reduction in mitochondrial number may also contribute to the role of core autophagy genes,such as Atg7,in white adipocyte differentia-tion(Zhang et al.,2009).An intriguing question is whether selec-tive mitophagy—of paternal mitochondria—during embryonic development underlies mammalian maternal mitochondrial DNA(mtDNA)inheritance(Levine and Elazar,2011).In C.elegans,several studies showed that paternal mitochondria and mtDNA are eliminated from the fertilized oocyte by auto-phagy(with surrounding membranous organelles,but not the mitochondria themselves,marked by ubiquitin)(Al Rawi et al., 2011;Sato and Sato,2011;Zhou et al.,2011).In one of these studies(Al Rawi et al.,2011),p62and LC3were also found to colocalize with sperm mitochondria after fertilization in mice. However,a more recent study confirmed that sperm mitochon-dria colocalized with p62and LC3in mouse embryos but concluded that this was not involved in their degradation(Luo et al.,2013).Thus,the question of whether selective mitophagy explains why our mitochondrial DNA comes mainly from our mothers remains to be resolved.An emerging far-reaching biomedical paradigm is that defects in mitophagy—presumably through resulting abnormal mito-chondrial function,abnormal mitochondrial biogenesis,and/or increased mitochondrial generation of reactive oxygen species (leading to genomic instability and enhanced proinflammatory signaling)—contribute to cancer,neurodegenerative diseases,myopathies,aging,and inflammatory disorders(reviewed in Ding and Yin,2012;Green et al.,2011;Lu et al.,2013;Narendra and Youle,2011).This paradigm intuitively makes sense and is consistent with a large body of literature in autophagy-deficient mice.Yet,it is difficult to establish a direct causal relationship between mitophagy defects and disease in mice lacking general autophagy factors.Presumably,phenotypes observed in mice lacking selective mitophagy factors may be more informative. For example,Parkin-deficient mice have cancer-prone pheno-types,including accelerated intestinal adenoma development (in the background of Apc mutation)(Poulogiannis et al.,2010) and the development of hepatocellular carcinoma(Fujiwara et al.,2008).However,these studies also do not provide direct evidence that Parkin-mediated mitophagy,rather than other potential effects of Parkin,contribute to its role in tumor suppres-sion.Moreover,mice lacking Ulk1(Kundu et al.,2008)or Nix (Sandoval et al.,2008)have progressive anemia with mature erythrocytes containing mitochondria but no other obvious can-cer-prone defects.In addition,Parkin-null mice clear defective mitochondria normally in dopaminergic neurons in the substantia nigra(Sterky et al.,2011),even though PARKIN and PINK1mu-tations in humans lead to overt degeneration of these neurons and Parkinson’s disease.It is not unlikely that there are several overlapping mechanisms for selective autophagy that compen-sate for such deficiencies.Another possible explanation for the lack of more striking phenotypes in mice lacking selective autophagy factors is that other processes help to mediate the damage that should accrue when damaged organelles are not effectively cleared from cells,including perhaps the removal of the cells themselves,which is considered next.Removing Excess or Damaged CellsIn multicellular organisms,the death of a cell is usually easily tolerated and,indeed,part of normal development and homeo-stasis.Dying cells,regardless of the mode of cell death,are rapidly cleared from the body,either by shedding(e.g.,skin and mucosa)or removal by phagocytosis(Figure2).The latter in mammals is usually by‘‘professional’’phagocytes such as macrophages but can be mediated by other cells such as epithelia.For our discussion,it is useful to consider several distinctions between the many ways that cells can die(Green,2011).First, cells can die actively or passively,that is,molecularly partici-pating in their own demise or not.Passive cell death occurs when a cell has accumulated so much acute damage that it cannot maintain its plasma membrane and usually dies by a pro-cess that by morphology is classified as necrosis.Necrotic cells swell as water enters,expanding organelles and the nucleus (as we will see,however,morphological necrosis can also be active).Passive cell death can occur by environmental insult or by‘‘murder,’’such as via the action of complement,cytotoxic lymphocytes,or active engulfment of a living cell(e.g.,when aged erythrocytes are cleared or when epithelial cells lose con-tact with basal lamina).In contrast,active cell death involves intracellular processes that must be engaged for the cell to die. This is often referred to as‘‘programmed cell death,’’although the term was originally coined to indicate those cells that die at a defined(programmed)time in development.Here,we do notCell157,March27,2014ª2014Elsevier Inc.69distinguish between active and programmed,and we use both to refer to those cell deaths that involve the participation of intra-cellular molecular machinery.Active cell death can further be parsed into two general cate-gories:cell suicide and cell sabotage (Green and Victor,2012).Cell sabotage is akin to the conventional meaning of sabotage:just as a train must be moving quickly if it is to undergo destruc-tion when a rail is dislodged,some disruptions of cellular func-tions may derail a cell to its destruction only if these functions are actively engaged.In cellular sabotage,the death is therefore molecularly active,but the process (presumably)was not selected during the evolution of multicellularity to transduce the death signal.Examples of cellular sabotage likely include the recently identified process of ferroptosis (Dixon et al.,2012),overproduction of reactive oxygen species,and perhaps some forms of mitotic catastrophe.Cellular suicide,in contrast,involves the engagement of evolu-tionarily selected (again,presumably)molecular pathways that result in cell death (Figure 3).This is best exemplified by the process of apoptosis.There are multiple pathways of apoptosis,all of which involve the activation of caspase proteases,which cleave many substrates within the cell,leading to its demise.Apoptosis is formally defined by morphology,in which the cell shrinks,the nucleus condenses,and the cell often fragments into smaller membrane-bound bodies,although more recent de-scriptions rely on the detection of caspase activation (Galluzzi et al.,2012).In most apoptotic pathways,caspase activation oc-curs by the formation of ‘‘caspase activation platforms’’that bind and activate monomeric initiator caspases (e.g.,caspase-8and caspase-9),which then cleave and thereby activate the execu-tioner caspases (caspase-3and caspase-7)to orchestrate the death of the cell.Although apoptosis occurs in a variety of settings and often via different pathways,our focus on the clearance of damaged and excess cells focuses much of our attention on only one such pathway that functions in this regard.In this,the mitochon-drial (or intrinsic)pathway of apoptosis,the proteins of the Bcl-2family control a process whereby the outer membranes of mito-chondria become permeable (mitochondrial outer membrane permeabilization,MOMP),releasing the proteins of the inter-membrane space to the cytosol.Cytochrome c,thus released,activates apoptosis-activating factor-1(APAF1)to form a caspase activation platform for the activation of the initiator caspase,caspase-9(Figure 3).Figure 3.Cell Death Pathways Engaged by Cellular DamageCellular damage induces cell death by inducing expression and/or modification of proapoptotic BH3-only proteins of the Bcl-2family (inset),which engage the mitochondrial pathway of apoptosis,in which MOMP releases proteins of the mitochondrial intermembrane space.Among these is cytochrome c,which activates APAF1to form a caspase-activation platform (the apoptosome)that binds and activates caspase-9.This then cleaves and thereby activates execu-tioner caspases to promote apoptosis.Cellular damage can also induce the expression of death ligands of the TNF family,which bind their receptors to promote the activation of caspase-8by FADD.The latter is antagonized by expression of c-FLIP L ,and the caspase-8-FLIP heterodimer does not promote apoptosis but instead blocks another cell death pathway engaged by death receptors,necroptosis.Necroptosis involves the activation of RIPK1and RIPK3,resulting in phosphorylation and activation of the pseudokinase,MLKL,which promotes an active necrotic cell death.70Cell 157,March 27,2014ª2014Elsevier Inc.。